Підсилювач трансимпедансу

Щоб пояснити простими словами, підсилювач Transimpedance - це схема перетворювача, яка перетворює вхідний струм у пропорційну вихідну напругу. Як ми знаємо, коли струм протікає через резистор, він створює падіння напруги на резисторі, яке буде пропорційним значенню струму та самому значенням резистора. Тут, вважаючи значення резистора ідеально постійним, ми можемо легко використовувати закон Ома для обчислення значення струму на основі значення напруги. Це найпростіший перетворювач струму в напругу, і оскільки ми використовували для цього резистор (пасивний елемент), він називається пасивним перетворювачем струму в напругу.

З іншого боку, підсилювач Transimpedance - це перетворювач активного струму в напругу, оскільки він використовує активний компонент, такий як Op-Amp, для перетворення вхідного струму у пропорційну вихідну напругу. Також можна побудувати активні I-V перетворювачі з використанням інших активних компонентів, таких як BJT, IGBT, MOSFET і т. Д. Найбільш часто використовуваним перетворювачем струму в напругу є підсилювач трансимпедансу (TIA), тому в цій статті ми дізнаємось про це більше і як використовувати його у своїх схемах.

Значення підсилювача трансимпедансу

Тепер, коли ми знаємо, що навіть резистор можна використовувати для перетворення струму в напругу, чому нам потрібно будувати перетворювачі активного струму в напругу за допомогою Op-Amp? Яку перевагу та значення він має перед пасивними перетворювачами V до I?

Щоб відповісти на це, давайте припустимо, що світлочутливий діод (джерело струму) подає струм через його термінал залежно від світла, що падає на нього, а через фотодіод підключається простий резистор низької величини для перетворення вихідного струму у пропорційну напругу, як показано на зображення нижче.

Зазначена схема може теоретично працювати, але на практиці продуктивність буде зіпсована, оскільки фотодіод також буде складатися з деяких небажаних ємнісних властивостей, що називаються розсіяною ємністю. Завдяки цьому для меншого значення чутливого резистора постійна часу (t) (t = чутливий опір x розсіяна ємність) буде малою, а отже, коефіцієнт підсилення буде низьким. Якраз навпаки станеться, якщо сенсорний опір збільшиться, коефіцієнт підсилення буде високим, а постійна часу буде також вищою за мале значення резистора. Цей нерівномірний коефіцієнт посилення призведе до недостатнього відношення сигнал / шума гнучкість вихідної напруги обмежена. Тому, щоб вирішити проблеми з низьким коефіцієнтом посилення та шумом, часто надають перевагу підсилювачу трансимпедансу. Додаючи до цього в трансимпедансному підсилювачі, конструктор може також налаштувати пропускну здатність та коефіцієнт посилення схеми відповідно до вимог конструкції.

Працює підсилювач трансимпедансу

Схема підсилювача Transimpedance - це простий інвертуючий підсилювач з негативним зворотним зв'язком. Поряд з підсилювачем, один резистор зворотного зв'язку (R1) підключений до інвертуючого кінця підсилювача, як показано нижче.

Оскільки ми знаємо, що вхідний струм Op-Amp буде нульовим через його високий вхідний опір, отже, струм від нашого джерела струму повинен повністю проходити через резистор R1. Давайте розглянемо цей струм як Є. На даний момент вихідну напругу (Vout) Op-Amp можна розрахувати, використовуючи формулу нижче -

Vout = -Є x R1

Ця формула буде справедливою в ідеальному ланцюзі. Але в реальній схемі операційний підсилювач буде складатися з деякого значення вхідної ємності та розсіяної ємності на вхідних штифтах, що може спричинити дрейф на виході та кільцеві коливання, що робить всю схему нестабільною. Для подолання цієї проблеми замість одного пасивного компонента потрібні два пасивні компоненти для належної роботи ланцюга трансимпедансу. Цими двома пасивними компонентами є попередній резистор (R1) і додатковий конденсатор (C1). І резистор, і конденсатор з'єднані паралельно між негативним входом і виходом підсилювачів, як показано нижче.

Операційний підсилювач тут знову підключений в стані негативного зворотного зв'язку через резистор R1 і конденсатор С1 як зворотний зв'язок. Струм (Is), поданий на інвертуючий штифт підсилювача Transimpedance, перетворюється в еквівалентну напругу на вихідній стороні як Vout. Значення вхідного струму та значення резистора (R1) можуть бути використані для визначення вихідної напруги підсилювача Transimpedance.

Вихідна напруга залежить не тільки від резистора зворотного зв'язку, але вона також має зв'язок зі значенням конденсатора зворотного зв'язку C1. Пропускна здатність схеми залежить від значення конденсатора зворотного зв'язку C1, тому це значення конденсатора може змінити пропускну здатність загальної схеми. Для стабільної роботи схеми на всій смузі частот формули для розрахунку значення конденсатора для необхідної смуги пропускання наведені нижче.

C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p

Де R1 - резистор зворотного зв'язку, а f _p - необхідна частота смуги пропускання.

У реальній ситуації паразитна ємність та вхідна ємність підсилювача відіграють життєво важливу роль у стабільності підсилювача Transimpedance. Відповідь коефіцієнта посилення шуму ланцюга також створює нестабільність через границю фазового зсуву ланцюга та спричинює поведінку реакції кроку на перевищення.

Дизайн підсилювача трансимпедансу

Щоб зрозуміти, як використовувати TIA в практичних конструкціях, давайте спроектуємо такий, використовуючи один резистор і конденсатор, і змоделюємо його, щоб зрозуміти його роботу. Повна схема перетворювача струму в напругу з використанням підсилювача Op показана нижче

У наведеній вище схемі використовується загальний підсилювач низької потужності LM358. Резистор R1 діє як резистор зворотного зв'язку, а конденсатор служить призначенню конденсатора зворотного зв'язку. Підсилювач LM358 підключений у конфігурації негативного зворотного зв'язку. Негативний вхідний штифт підключений до джерела постійного струму, а позитивний - до заземлення або потенціалу 0. Оскільки це імітація, і загальна схема працює в тісному відношенні як ідеальна схема, значення конденсатора не буде сильно впливати, але важливо, якщо схема побудована фізично. 10pF є розумним значенням, але значення конденсатора можна змінювати залежно від смуги частот схеми, яку можна обчислити, використовуючи C1 ≤ 1 / 2π x R1 xf _p, як обговорювалося раніше.

Для ідеальної роботи операційний підсилювач також отримує живлення від подвійного джерела живлення, що становить +/- 12 В. Значення резистора зворотного зв'язку вибрано як 1k.

Моделювання підсилювача трансимпедансу

Вищезазначену схему можна змоделювати, щоб перевірити, чи працює конструкція належним чином. Вольтметр постійного струму підключений через вихідний підсилювач для вимірювання вихідної напруги нашого підсилювача Transimpedance. Якщо схема працює належним чином, тоді значення вихідної напруги, що відображається на вольтметрі, повинно бути пропорційним струму, що подається на інвертуючий штифт оп-підсилювача.

Повне відео про моделювання можна знайти нижче

У тестовому випадку 1 вхідний струм через операційний підсилювач подається як 1 мА. Оскільки вхідний опір операційного підсилювача дуже високий, струм починає протікати через резистор зворотного зв'язку, а вихідна напруга залежить від значення резистора зворотного зв'язку в рази, коли протікає струм, що регулюється формулою Vout = -Is x R1 як ми обговорювали раніше.

У нашій схемі значення резистора R1 дорівнює 1k. Отже, коли вхідний струм дорівнює 1мА, Vout буде, Vout = -Is x R1 Vout = -0.001 Amp x 1000 Ом Vout = 1 Вольт

Якщо ми перевіримо наш результат моделювання струму до напруги, він точно відповідає. Вихід став позитивним під впливом підсилювача Transimpedance.

У тестовому прикладі 2 вхідний струм через операційний підсилювач подається як.05 мА або 500 мікроампер. Тому значення вихідної напруги можна розрахувати як.

Vout = -Is x R1 Vout = -0.0005 Amp x 1000 Ом Vout =.5 Вольт

Якщо ми перевіримо результат моделювання, це також точно відповідає.

Ще раз це результат моделювання. При побудові схеми практично проста розсіююча ємність може призвести до постійного ефекту в цій схемі. Проектувальник повинен бути обережним щодо наведених нижче пунктів при фізичному конструюванні.

Уникайте макетних дощок, мідних дощок або будь-яких інших планок для підключення. Побудуйте схему лише на друкованій платі.
Op-Amp потрібно припаяти безпосередньо до друкованої плати без тримача мікросхеми.
Використовуйте короткі траси для шляхів зворотного зв’язку та джерела вхідного струму (фотодіод або подібні речі, які необхідні для вимірювання за допомогою підсилювача трансимпедансу).
Помістіть резистор зворотного зв'язку та конденсатор якомога ближче до операційного підсилювача.
Добре використовувати короткі свинцеві резистори.
Додайте належні фільтрувальні конденсатори як із великими, так і з малими значеннями на рейку живлення.
Виберіть відповідний підсилювач, спеціально розроблений для цієї мети підсилювача для простоти конструкції.

Застосування підсилювача трансимпедансу

Трансимпедансний підсилювач є найважливішим інструментом вимірювання струмового сигналу для роботи, пов'язаної із зондуванням світла. Він широко використовується в хімічній техніці, перетворювачах тиску, різних типах акселерометрів, вдосконалених системах допомоги водієві та технології LiDAR, яка використовується в автономних автомобілях.

Найбільш важливою частиною схеми трансмідансу є стабільність конструкції. Це пов’язано з паразитарними та шумовими проблемами. Дизайнер повинен бути обережним з вибором правильного підсилювача і повинен бути обережним з використанням належних рекомендацій щодо друкованих плат.